【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭益平教授課題組在缺陷偶極子調(diào)控鐵電材料的極化與應(yīng)變行為的研究中取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Deciphering the Effect of Defect Dipoles on the Polarization and Electrostrain Behavior in Perovskite Ferroelectrics” (https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03042)為題發(fā)表于國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Nano Letters上。
鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電材料在壓電傳感和驅(qū)動(dòng)、電光調(diào)制、介電儲(chǔ)能、非易失性存儲(chǔ)等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。點(diǎn)缺陷或缺陷偶極子的引入和調(diào)控可以改善鈣鈦礦鐵電材料的壓電性質(zhì)、儲(chǔ)能性質(zhì)和溫度穩(wěn)定性，例如課題組前期的系列工作利用缺陷偶極子與鐵電疇的耦合作用在低電場(chǎng)下獲得了低滯后、耐疲勞、溫度穩(wěn)定的高應(yīng)變(Science 2022, 378, 1125-1130，Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2306416, Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2214643)。然而，在缺陷偶極子對(duì)極化和壓電應(yīng)變的影響方面仍然存在疑團(tuán)：(1)傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為宏觀取向排列的缺陷偶極子一定會(huì)產(chǎn)生內(nèi)偏場(chǎng)，但事實(shí)發(fā)現(xiàn)并不是所有缺陷偶極子都能產(chǎn)生內(nèi)偏場(chǎng)；(2)學(xué)界近年來利用缺陷偶極子獲得的不對(duì)稱大應(yīng)變行為普遍與傳統(tǒng)理論中的規(guī)律矛盾。
針對(duì)上述問題，研究人員提出，只有凈電荷為零的缺陷偶極子會(huì)產(chǎn)生內(nèi)偏場(chǎng)；凈電荷不為零的缺陷偶極子會(huì)吸引第三個(gè)電荷分布在周圍，而第三電荷位置的不確定性阻礙了內(nèi)偏場(chǎng)的建立。在Fe摻雜KNN陶瓷中使Fe元素降價(jià)，觀察到內(nèi)偏場(chǎng)消失，證實(shí)了內(nèi)偏場(chǎng)建立的條件是缺陷偶極子凈電荷為零。研究認(rèn)為缺陷偶極子在宏觀定向后會(huì)產(chǎn)生額外的極化，考慮這部分極化后，的傳統(tǒng)理論可適用于近年發(fā)現(xiàn)的不對(duì)稱大應(yīng)變現(xiàn)象。研究中還利用相場(chǎng)模擬驗(yàn)證了缺陷偶極子的彈性效應(yīng)會(huì)帶來額外極化，可以在不產(chǎn)生內(nèi)偏場(chǎng)的前提下獲得高度不對(duì)稱的應(yīng)變行為。這項(xiàng)研究解決了缺陷偶極子調(diào)控機(jī)制方面長(zhǎng)期存在的問題，增進(jìn)了對(duì)缺陷偶極子性質(zhì)的理解，完善和發(fā)展了鐵電材料的點(diǎn)缺陷相關(guān)理論。
圖1 缺陷偶極子對(duì)鐵電材料極化行為的影響
圖2 相場(chǎng)模擬表明缺陷偶極子的彈性效應(yīng)對(duì)極化和應(yīng)變行為的影響
材料學(xué)院已畢業(yè)博士生皇甫庚(目前為新加坡國(guó)立大學(xué)博士后)和在讀博士生王杰為論文的共同第一作者，郭益平教授和南京理工大學(xué)劉震教授為通訊作者，章海明教授及新加坡國(guó)立大學(xué)的陳景升教授也參與了研究。這項(xiàng)研究獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022YFA1205300和2022YFA1205304)、國(guó)家自然科學(xué)基金(52032012)和江蘇省自然科學(xué)基金(BK20220923)的資助。
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